Укрощение бесконечности. История математики от первых чисел до теории хаоса

На исходе XIX в. математики начали развивать еще более гибкую разновидность геометрии – столь гибкую, что она получила название «геометрия на резиновом листе». Нам более привычно иное наименование – топология. Это геометрия форм, которые можно исказить чрезвычайно запутанными способами. Прямые могут искривляться, сжиматься или растягиваться; окружности сжимают так, что они превращаются в треугольники или квадраты. Единственное, что имеет значение, – непрерывность. Трансформации, разрешенные в топологии, непременно должны быть непрерывными в смысле анализа. Грубо говоря, это значит, что если две точки изначально достаточно близки между собой, они и в итоге останутся близкими, – отсюда и образ резинового листа.

Здесь всё еще слышны отголоски привычного метрического образа мышления: «достаточно близкие» – метрическая концепция. Но к началу ХХ в. математики избавились и от них, и топологические преобразования обрели независимое существование. Это тут же повысило научный статус топологии, вплоть до того, что она заняла ведущую роль в математике, – хотя с самого начала производила впечатление очень странной и бессодержательной области. Если преобразования настолько гибкие, то что же тогда может быть инвариантом? На поверку выходит, что очень многое. Однако тип инварианта, который тогда вступил в игру, еще никогда не рассматривался в геометрии. Связность: сколько именно частей имеет этот объект? А отверстия: то ли видна петля, то ли туннель сквозь объект? Узлы – как они образовались и можно ли их распутать? С точки зрения тополога, и бублик, и чашка кофе идентичны (зато не идентичны бублик и стакан); однако оба отличаются от круглого мяча. Простой узел отличается от узла-восьмерки, но для доказательства этого потребовалось изобрести новый подход, и долгое время вообще никому не удавалось доказать, существуют ли узлы.

Кажется невероятным, чтобы нечто столь зыбкое и расплывчатое могло оказаться для нас столь важным. Но внешность обманчива. Непрерывность – одно из фундаментальных качеств мира природы, и любое сколь-нибудь серьезное исследование непрерывности приводит к топологии. Даже сегодня мы косвенно пользуемся топологией наряду со множеством других техник.

Вы не найдете примеров откровенной топологии у себя на кухне – по крайней мере явных. (Хотя иногда вы можете заметить ее элементы в хаотичной работе посудомоечной машины, использующей беспорядочные перемещения двух вращающихся лопастей для пущей эффективности процесса. Кроме того, наше понимание феномена хаоса зиждется на топологии.) Главными практическими потребителями топологии стали теоретики квантовых полей, – возможно, это не очень привычное использование слова «практический», но, несомненно, важная область физики. Другое приложение идей топологии демонстрирует молекулярная биология, где с помощью топологических концепций ученые исследуют изгибы и повороты молекулы ДНК.

В скрытом виде топология приносит информацию в математический мейнстрим в целом и способствует развитию других методов с более очевидным практическим применением. Это строгое исследование качественных геометрических характеристик – в противоположность количественным, таким как длина. Вот почему математики придают топологии такое значение, хотя вполне возможно, что остальной мир об этом не знает.

Многогранник и кенигсбергские мосты

Как полноправная наука топология обособилась только в 1900-х гг., но она уже проявлялась и ранее в математических исследованиях. Два вопроса в предыстории топологии были рассмотрены Эйлером: его формула для многогранника и решение задачи о кенигсбергских мостах.

В 1639 г. Декарт отметил любопытную черту нумерологии правильных тел. Взять, к примеру, куб. Это 6 граней, 12 ребер и 8 вершин. Сложите 8 и 6, и вы получите 14, на 2 больше, чем 12. А как насчет додекаэдра? У него 12 граней, 30 ребер и 20 вершин. И 12 + 20 = 32, что на 2 больше 30. То же повторяется у тетраэдра, октаэдра и икосаэдра. Та же особенность, судя по всему, присуща практически всем многогранникам. Если тело имеет F граней, Е ребер и V

вершин, то F + V = E + 2, что можно переписать как

F – E + V = 2.

Декарт не опубликовал свое открытие, но записал его в своем манускрипте, прочитанном Лейбницем в 1675 г.

Эйлер первым опубликовал это соотношение в 1750 г. Он добавил доказательство в 1751 г. Его увлекли эти взаимоотношения, потому что он пытался разработать классификацию многогранников. В работе над классификацией ученому приходится учитывать любое общее свойство предметов, подобное этому.

Многогранник с отверстием

Существует ли формула, верная для всех многогранников? Не совсем так. Если наш многогранник имеет форму рамы для картины, с квадратным поперечным сечением и прямыми углами, то у него 16 граней, 32 ребра и 16 вершин, т. е. здесь F

+ V – E = 0. Причиной такого несоответствия оказывается наличие отверстия. Фактически если многогранник имеет g отверстий, то

F + V – E = 2 – 2g.